Effektive Methoden zur Unterdrückung von Autogeräuschen und Vibrationen

Jeder von uns bestimmt die Bedeutung dieser oder jener Verbrauchereigenschaften des Autos. Zum Beispiel, für einige ein Raum in der Priorität ist, und für andere — eine Verwaltbarkeit. Aber gleichermaßen ist Schallschutz für alle wichtig. Sie müssen kein Experte sein, um zu verstehen, ob es im Auto laut ist oder nicht. Erste Schlüsse können bereits zu Beginn der Fahrt gezogen werden, während es Zeit braucht, um die Laufruhe oder die Bremsen zu beurteilen. In der Industrie gibt es ein sogenanntes “kombiniertes NVH-Konzept” (Noise Vibration and Harshness), d.h. Lärm, Vibration und Steifigkeit.

Wenn NVH-Komponenten schlecht funktionieren, fühlt man es: Nervensystem und Gehirn sind überlastet, die Konzentration der Aufmerksamkeit ist gestört, Tonus und Reaktion sind reduziert. Daher ist es am bequemsten, auf modernen Autos mit einer besseren Geräuschunterdrückung für lange Strecken zu fahren. Denken Sie nur nicht, dass “Schallschutz mit der Zeit besser geworden ist!” Theoretisch ist Schalldämmung der letzte und bei weitem nicht der effektivste Weg, um akustischen Komfort zu gewährleisten. Nun wollen wir herausfinden, warum.

Es ist schwer, über NVH zu sprechen, ohne tief in Physik und Mathematik einzutauchen. Um sich nicht auf hohe Materie zu konzentrieren, werden wir einige Konzepte vereinfachen. Aber Sie können nichts falsch machen, wenn Sie sagen, dass Lärm Vibrationen erzeugt. Letztere sind an sich auch schädlich, insbesondere für die Technik.

Beginnen wir damit, dass jede Vibration eine Quelle hat. Meistens ist es der Motor und die Auspuffanlage, die Räder und die Luft, die die Karosserie umschließt. Es gibt noch ein paar Dutzend Quellen, aber die oben aufgeführten dominieren. In der Regel, wenn in der Stadt die Hauptrolle spielt Antriebsstrang, wenn auf der Autobahn mit einer Geschwindigkeit von 90-100 km/h fast alle Teile der Maschine gleichermaßen beeinflussen Lärm, aber bei einer Geschwindigkeit von 120-130 km/h die erste Sorge ist die Empörung der aerodynamischen und Straßenplan. Aber das ist in der Theorie.

Jedes Geräusch, zum Beispiel vom Motor, wird auf zwei Arten verteilt: mechanisch — durch Schwingungen des Gehäuses und Strukturelemente, die eine physische Verbindung mit der Quelle haben, und direkt durch die Luft, einschließlich der “durchdringenden” durch die gleichen Platten. Daher gibt es drei Hauptmethoden zur Rauschunterdrückung. In erster Linie ist es eine Abnahme der Intensität seiner Quelle. Zweitens, die Abschwächung der sekundären Strahlung Strukturelemente. Drittens, Schalldämmung, das heißt, “Fangen” der Komponente, die durch die Luft übertragen wird.

Um beispielsweise Motorgeräusche zu reduzieren, ist es notwendig, wenn möglich einen reibungslosen Verbrennungsprozess zu organisieren, der nach Möglichkeit geglättet werden sollte. Die großen Schallstrahler-Zylinderblock, Kopfdeckel, Kurbelgehäuse — sind so konstruiert, dass sie nicht mit dem Takt des Arbeitsablaufs in den Zylindern in Resonanz geraten. Zunehmend wird für die Herstellung solcher Elemente Kunststoff verwendet, direkt auf sie werden schalldämpfende Materialien aufgetragen, und der gesamte Motor wird nach Möglichkeit “eingekapselt”. In der Vergangenheit haben Abgasanlagen viel Lärm erzeugt, aber dank Katalysatoren und Partikelfiltern gelang es, die Ripple der Abgase zu glätten, um die Auspuffschalldämpfer zu unterstützen. 

Die nachfolgende Übertragung von Vibrationen durch die Träger des Antriebsstrangs sollte vermieden werden. Ihre Befestigungspunkte müssen so gewählt werden, dass sie keine Vibrationen des Körpers provozieren. Die Geschichte des ersten serienmäßigen VAZ-2108, in dem Vibrationen und Geräusche im Leerlauf ein unbequemes Niveau aufgrund der falsch positionierten vorderen Stütze erreichten, ist denkwürdig. Bewegen Sie die Stütze war zu spät, es wurde weicher gemacht, was zu vielen anderen Problemen führte…

Heute sind die hydraulischen Stützen des Triebwerks, die elastische und überwältigende Funktionen (wie eine Kombination aus Feder und Stoßdämpfer in der Federung) kombinieren, nicht mehr exotisch. Am effektivsten sind aktive Stützen, die eine Bewegung in der entgegengesetzten Schwingungsphase erzeugen oder die Steifigkeit je nach den Bedingungen ändern.

Vibrationen, die die Karosserie noch berühren, müssen minimiert werden. Es ist sehr wichtig, Resonanzen zu vermeiden. Ein möglichst hartes Gehäuse bedeutet nicht unbedingt keinen Lärm. Monolithische Konstruktion kann dazu beitragen, die Resonanz zu reduzieren, aber gleichzeitig die Übertragung von strukturellen Geräuschen zu erhöhen.

Im Gegensatz zu Journalisten verwenden Konstrukteure oft das Konzept der Resonanzfrequenzen der Karosserie und nicht die Torsionssteifigkeit. Darüber hinaus sollte die optimale Frequenz nicht so hoch oder so niedrig wie möglich sein ― sie sollte genauso sein, um Resonanzen zu vermeiden. Denn die Karosserie ist nur eines von mehreren Elementen des komplexesten Vibrationssystems, das elastische Elemente der Federung, Reifen, Autositze und alle Vibrationsquellen umfasst.

Die tragende Konstruktion der Karosserie ist unter Berücksichtigung aller obengenannten entwickelt. Selbst die Teile, die keine ernsthafte Belastung tragen, haben Steifigkeit Stäbe und gestanzte Verstärkungsplatten, um den Vibrationen so viel wie möglich entgegenzuwirken. Hochfeste und wärmebehandelten Stahl, Walzen mit variabler Dicke, Klebetechnologie Gehäuseteile, und andere Tricks — all dies wird auch in der Masse der Automobilindustrie. Gleichzeitig können mit Hilfe von Computersimulationen noch Restvibrationen erkannt werden. Was ist mit ihnen zu tun?

Einfach gesagt, um Resonanz zu vermeiden, müssen Sie die Frequenzen Ihrer eigenen Schwingungen an solchen Punkten ändern. Zum Beispiel mit Hilfe von Schwingungsdämpfern — fest oder weich fixiert Massen. Seien Sie nicht überrascht, wenn während der Reparatur irgendwo im Inneren der vorderen Stoßstange finden drei Kilogramm Strahl aus Gusseisen: es ist nicht in der Fabrik bei der Montage vergessen, und verschraubt streng nach den Konstruktionsberechnungen, um die Schwankungen bestimmter Frequenzen zu glätten. Kleinere Lasten werden oft auf Teile der Aufhängung oder der Auspuffanlage gelegt.

Schaum, der in seinen Eigenschaften erinnert an den Bau, in den Hohlraum der Karosserie an bestimmten Stellen gegossen, und die Bitumenmatten, zum Beispiel, kleben zu den flachen Paneelen. Aber nicht über die gesamte Oberfläche, wie es in der Garage Tuning üblich ist, und selektiv auf der Grundlage der Ergebnisse der Computersimulation. Lärm dringt durch alle Lücken, so dass ihre Menge im Gehäuse, und vor allem im Motorschild, minimiert wird. Jedes Loch wird sorgfältig isoliert. Es ist gut, dass die mechanischen Antriebe des Gaspedals und der Automatikgetriebe in Vergessenheit geraten sind. Sie waren der mächtige Kanal der Übertragung von Vibrationen. Nachdem Sie die Projektreserven ausgewählt haben, ist es Zeit, mit der Schalldämmung zu beginnen.

Wenn in den vorherigen Phasen keine Fehler gemacht werden, wird nicht viel Material benötigt. Zum Beispiel haben wir für den Golf der siebten Generation vier Kilogramm weniger Schalldämmstoffe verwendet als für das Modell der älteren Generation. Moderne weiche Matten und Teppiche sind echte Meisterwerke der Technik, die genau unter die Konturen und Reliefs des Motorschildes oder des Bodens gegossen sind. Im Fahrzeuginnenraum kann man gar nicht ohne Beschichtung auskommen, da es auch eine Wärmedämmfunktion erfüllt. Aber seien Sie zum Beispiel nicht überrascht von dem blanken Metall um das Reserverad im Kofferraum — das bedeutet, dass der Hersteller mit primären Maßnahmen auf die Rauschunterdrückung geachtet hat.

Solche “Protokolle” werden nicht nur auf Motorgeräusche, sondern auch auf jede Quelle angewendet. Glauben Sie mir, über den Kampf gegen die Drohne von rotierenden Rädern, aerodynamische Störungen oder Außengeräusche können wir in separaten Artikeln erzählen. Es gibt viele Nuancen, Feinheiten und Tricks. Home Tapering zusätzliche Teppiche, natürlich, gibt Wirkung, aber rational ist dieser Ansatz schwierig zu nennen. Für ein paar Dezibel Vorteile müssen Sie nicht nur für Materialien und Arbeit berappen, sondern auch Dutzende von Pfunden tragen, die in der Zukunft zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führen.

Der neueste Trend sind aktive Rauschunterdrückungssysteme, die die Lautsprecher des Audiosystems verwenden, um in einer Phase, die dem schädlichen entgegengesetzt ist, nützlichen Klang zu erzeugen. Das eine, multipliziert mit dem anderen, sollte Stille geben. Leider funktionieren solche Systeme ungenau, sie sind in Leistung und Frequenzbereich begrenzt. Es gibt nichts zu tun — Physik. Motor- und Straßengeräusche erreichen in nur 0.009 Sekunden die Ohren der Insassen, während die besten Antisysteme in 0.002 Sekunden reagieren. Offensichtlich werden sie sich verbessern ― aber die Hauptsache ist, dass es nicht wie einst mit dem ESP funktioniert, als die Entwicklung der Sicherheitselektronik sich zu einer Schwächung der Grundprinzipien des Designs entwickelt hat…

Je höher die Schallfrequenz, desto ärgerlicher ist es. Zum Beispiel tritt der Ermüdungseffekt mit einer Lautstärke von 80 Dezibel (dB) im Frequenzbereich von 2,000-4,000 Hz auf, und bei 5,000-6,000 Hz bereits mit 60 dB. Strukturelle Geräusche, die von der Karosserie verbreitet werden, haben meistens eine Frequenz unter 500 Hz und werden als niederfrequenter, Summen, Bass wahrgenommen. Im Auto kommen sie meist von der Straße, aber auch die Abgasanlage trägt ihren Teil dazu bei.

Und Störungen, die akustisch übertragen werden, dominieren Frequenzen über 1,000 Hz (nach 800 Hz gelten als Hochfrequenz). Hier dominieren Antriebsstrang und Aerodynamik. Das menschliche Ohr nimmt Geräusche im Bereich von 20 Hz bis 20,000 Hz wahr, aber im Auto muss man normalerweise mit einer Frequenz von 30 bis 8,500 Hz umgehen.

Neben der spektralen Zusammensetzung (Rauschfrequenz) ist auch die Art des Spektrums wichtig. Es gibt Breitbandgeräusche, also eine Mischung aus Geräuschen und Tongeräuschen. Zum Beispiel das Heulen des Elektromotors der Servolenkung oder das Keuchen des Kältemittels in den Eingeweiden der Klimaanlage. Das Auto ist in der Lage, Hunderte von solchen speziellen “Noten” zu produzieren, und gute Hersteller “beseitigen” sie vollständig noch in der Phase der Straßentests.

Übrigens entspricht die Lautstärke des Lärms in Dezibel nicht unbedingt den subjektiven Empfindungen einer Person. Zumindest, weil das menschliche Ohr die Geräusche verschiedener Frequenzen unterschiedlich wahrnimmt. Ja, Rauschmesser verarbeiten auch Signale von einem Mikrofon in einem komplexen Programm, um die Empfindlichkeit des Ohrs zu kopieren. Aber das funktioniert nicht immer. In der Praxis orientieren sich die Autohersteller nicht nur an den Messungen, sondern auch an der Expertenmeinung. Manchmal ist es einfacher, den Klang auf eine angenehmere Frequenz für das menschliche Ohr zu übertragen, als ihn zu unterdrücken. Das alles wird im Zuge von Straßentests gelöst.

Grenzwerte für Innenlärm für Pkw gibt es weder in der EU noch in den USA — nur für außen. Offensichtlich sind die Hersteller daran interessiert, dass sich der Kunde im Auto wohl fühlt. Allerdings hat Russland seinen eigenen Weg. Bei der Zertifizierung werden alle neuen Fahrzeuge, einschließlich Rolls-Royce oder Mercedes-Maybach S-Klasse, auf die Einhaltung der Anlage Nummer 3 der technischen Verordnung “Über die Sicherheit von Radfahrzeugen” geprüft. Bei der Überprüfung hängen die Experten Mikrofone in der Kabine auf und messen den Lärm mit mehreren Methoden, unter anderem beim Fahren mit konstanter Geschwindigkeit und beim Beschleunigen.

Im Allgemeinen sollte das Rauschen 77 dB nicht überschreiten, aber es gibt Ausnahmen. Für Wagenwagen oder halbkapotnaya Anordnung (Minivans) ist ein Wert von 79 dB zulässig. Wenn das Auto als SUV zertifiziert ist (oder manchmal auch mit einigen Crossover-Modellen), können diese Werte ein paar Dezibel höher sein. Im Laufe der Zeit Sammler Porsche 911 R nicht in Russland gerade wegen der Nichteinhaltung der Anforderungen des Innenlärms. 

Zwar sind für Sportwagen gesonderte Bedingungen vorgesehen. Bei einem Leergewicht von weniger als zwei Tonnen und einem Leistungsverhältnis von mehr als 75 kW/t (102 PS pro Tonne) ist eine Überschreitung um vier Dezibel zulässig. Wenn eine Tonne mehr als 110 kW (fast 150 PS) hat, werden die Tests schonend durchgeführt, nur bei konstanter Geschwindigkeit. In diesen Rahmen passen viele zivile Fahrzeuge. Nicht einmal der sehr starke 145-PS-Lada Vesta Sport hat 109 PS pro Tonne. Warum dann all diese Aufregung um die Zertifizierung von Innenlärm, wodurch der Hersteller unnötige Kosten tragen muss, die schließlich in den Preis des Autos einbezogen werden?

Es ist interessant, dass in Lehrbüchern über die Theorie des Automobilbaus der Sowjetzeit über Lärm und Vibrationen normalerweise kein Wort gesprochen wird. Es wurde oft nach dem Restprinzip gekämpft: Wenn sowohl die Karosserie als auch der Motor bereit waren, begannen die Designer darüber nachzudenken, wie man in der Kabine leiser machen würde. Zum Beispiel haben sie auch Isolation verwendet, aber gleichzeitig die ersten beiden Schritte weggelassen: die Quelle der Empörung zu bekämpfen und sie zu verbreiten. Heute kann ein wettbewerbsfähiges Auto nur gebaut werden, wenn der Hersteller bereits in der Bauphase über NVH nachdenkt, ganz zu schweigen von der Konstruktion.

Moderne Technologien sind neue Herausforderungen. Aktive Erleichterung der Karosserie, die Verwendung von leichten Materialien trägt zur Erhöhung des strukturellen Lärms bei. Die Reifen werden breiter und erzeugen damit immer mehr Lärm. Im Streben nach Umweltfreundlichkeit wird der Verbrennungsprozess im Zylinder oft weniger glatt, was zu großen Schwankungen führt.

Der Verzicht auf einen Verbrennungsmotor zugunsten eines Elektromotors wird dieses Problem nicht lösen. Statt der üblichen 2,500-3,000 Hz Frequenzspektrum vom Motor emittiert wird, ist in einem unangenehmen Bereich von etwa 5,000 Hz, wo es eine neue Art von Lärm gemischt-elektromagnetische. Es entstehen neue Geräusche, die vorher nicht bemerkt wurden, weil sie vom Verbrennungsmotor gedämpft wurden. Zum Beispiel diejenigen, die Klimaschutzklappen erstellen. Wenn wir mit der Drohnen-Steuerung noch tiefer in die Zukunft blicken, wird die Rolle des NVH nur zunehmen, weil es praktisch nichts zu diskutieren gibt, außer für den akustischen Komfort im Auto. Aber Lärm ist ein Konzept, das jedem von uns nahe kommt…

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